Quatro tipos de forças



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Prof. Dr. Vitor Baranauskas PED: MSc. José C. Rojas Q



Forças Fundamentais

1. Quatro tipos de forças


Das 4 forças fundamentais que a física tem conhecimento, a gravitacional é a mais notável no nosso dia-a-dia. É ela que faz as folhas sêcas caírem, que orienta os engenheiros nas construções e que mantem o sol no firmamento. Já a força elétrica, responsável pelo ordenamento dos átomos e moléculas nos objetos é menos notável, porém comparativamente muito mais forte (cerca de um trilhão de trilhão de trilhão de vezes) se compararmos as interações (outra denominação para forças) elétricas e gravitacionais de dois pedaços quaisquer de matéria.
Entre estas forças existem semelhanças e diferenças: a semelhança maior é a propriedade do inverso do quadrado da distância, ou seja, para dois pedaços de matéria distanciados por 2 metros a força entre eles diminuirá a 1/4 da força que haveria se a distância fosse 1 metro. A 4 metros a força decairá a 1/16, e assim por diante. A diferença fundamental reside no fato de que a força gravitacional exige da matéria a propriedade da massa, enquanto a elétrica exige algo também intrínseco da matéria - a carga - que diferente da massa possui dois tipos, ou características, contrários e no entanto, complementares - positiva e negativa. Matérias com um mesmo tipo de carga repelem-se e de tipos contrários atraem-se.
Toda a matéria é uma mistura de prótons positivos e elétrons negativos, atraindo-se e repelindo-se através de forças elétricas formando os átomos. O balanço destas forças é tão perfeito que nos passa desapercebido. Para se ter uma idéia de tal grandeza, se pudéssemos separar 10% das cargas elétricas de 2 garrafas pequenas de coca-cola com um palmo de distância entre elas observaríamos uma força capaz de levantar uma montanha! Mas a matéria parece combinar-se de tal forma a cancelar estas forças, e por isso não vemos os objetos andando por aí sozinhos. Porém esta força não é perfeitamente equilibrada quando tomamos pedaços muito pequenos da matéria; aliás é este "desequilíbrio" de cargas que mantém os átomos e moléculas unidos, formando as coisas ao nosso redor, e assim fornecendo as características necessárias para que os objetos sejam mais duros, leves, condutores, líquidos, etc.
Contudo, se esta força é tão grande por que o elétron negativo não vai de encontro e colide com o próton positivo no núcleo? Isto não ocorre devido a um princípio (ou se quiser uma lei) chamado Princípio da Incerteza, que estabelece ser impossível confinar um elétron numa região muito pequena, mesmo que seja muito próxima do próton, pois não saberíamos como ele iria se comportar, ou seja, não teríamos muita certeza para onde ele iria se dirigir; e se a região fosse suficientemente grande saberíamos para onde ele iria, mas não teríamos muita certeza de onde estaria. Este é um fato estranho, estranhíssimo mesmo, mas é o comportamento que as coisas muito pequenas realmente têm. E este estudo do mundo submicroscópico pertence ao terreno da Mecânica Quântica.
Outra questão é o que mantém os prótons no núcleo unidos se as forças de repulsão entre eles é gigantesca. É neste momento que a terceira força, a nuclear, atua, equilibrando o núcleo atômico, mas num alcance deveras curto. Ou seja, se a distância entre os prótons exceder a um certo valor a força elétrica se sobressai, partindo o núcleo atômico. Quando o limite é ultrapassado, como ocorre com os átomos de urânio, o núcleo se rompe e libera a energia de uma bomba nuclear; na verdade uma energia proveniente da natureza elétrica da matéria.
A quarta e última força é a chamada nuclear fraca, ou eletrofraca, que também possui um alcance muito curto, próprio de regiões muito pequenas como o núcleo atômico, mas importante para a manutenção do equilíbrio de cada átomo. Estas duas últimas forças, a nuclear e a eletrofraca não são atuantes em nosso dia-a-dia. Porém foram de importância capital nos primeiros momentos da criação do Universo. Logo o nosso mundo tem esta exata aparência devido à atuaçõa destas forçãs quando houve a Primeira Luz o Big Bang.
2. Quadro comparativo das forças fundamentais


Nome da Força

Tamanho Relativo

Variação

Portador de Força

Força Forte

1

10-13 centímetros

Glúon

Força Eletromagnética

10-2

infinita

Fóton

Força Fraca

10-5

10-16 centímetros

Vetor Bóson Intermediário

Força Gravitacional

10-38

infinita

Gráviton


3. Características de cada uma desta forças

a. Força Gravitacional

  • Esta força atua em todas as coisas que tem energia. Isto também inclui qualquer coisa que tem massa, pois como Einstein apontou, energia e massa são simplesmente nomes diferentes de uma mesma coisa. Nada do que sabemos pode servir de proteção contra a atuação do campo gravitacional sobre um objeto.

  • Einstein mostrou por volta de 1916 que a Gravidade está diretamente conectada ao modo como o espaço é curvado (i.e., a geometria do espaço). Muitas das propriedades que atribuímos à gravidade são propriedades locais que podem ser bem diferentes quando as propriedades de grande escala do Universo são levadas em conta.

  • A Gravidade sempre atrai as coisas, ela nunca repele. Isto é somente uma propriedade local. Pode ser argumentado que numa escala maior do universo a gravidade pode repelir.

  • A Gravidade tem uma extensão infinita mas não extingue-se com a distância. Isto também é um efeito local.

  • A força gravitacional mantém ligados ao Sol os planetas do nosso Sistema Solar. Ela também mantém o Sol unido à Galáxia Via Láctea..

  • A gravidade é a força dominante numa escala de comprimentos maiores. Ela é a força que é responsável pela estrutura em grande escala do universo. Numa escala de comprimentos menores a gravidade é insignificante.

  • A partícula que é conjeturada como sendo o portador de força gravitacional é chamada gráviton.

 

b. Força Eletromagnética

  • Esta força atua sobre qualquer coisa que tenha uma carga elétrica. Muitas partículas e objetos muito maiores não têm carga em excesso e daí não sentem qualquer força eletromagnética.

  • As cargas elétricas estão disponíveis em dois tipos : um tipo rotulado como carga positiva e um tipo rotulado como carga negativa.

  • Dois objetos carregados com cargas opostas sempre se atraem enquanto dois objetos carregados com cargas de mesmos sinais se repelirão.

  • O raio de ação da força eletromagnética é infinito. Entretanto, ela vai se extinguindo com a distância numa maneira semelhante como a gravidade se extingue.

  • Esta força mantém todos os átomos juntos e a força eletromagnética residual deixada a mais nos átomos é responsável para manter juntas as moléculas.

  • A partícula que tem sido mostrada ser a portadora da força eletromagnética é chamada fóton. Tem sido mostrado que o olho humano é sensível a um pequeno número de fótons.

  • O símbolo que é mais comumente usado para representar os fótons é a letra grega gama g.

c. Força Forte

  • Esta força é alternativamente conhecida como a Força Nuclear e em anos recentes tem sido chamada de Força Colorida.

  • Esta força atua em qualquer coisa que tem uma carga colorida. Somente pequenas partículas chamadas quarks que são exclusivamente encontradas no núcleo dos átomos tem carga colorida.

  • A carga colorida aparece em três tipos: um tipo rotulado carga verde, um tipo rotulado de carga vermelha, e um tipo rotulado de carga azul. Os adjetivos verde, vermelho e azul não tem nada a ver com a usual definição de luz verde, vermelha e azul.

  • Partículas coloridas existem em estados de dois tipos: um estado com três partículas coloridas chamado Bárion e um estado com duas partículas coloridas chamado Méson.

  • Os efeitos das cargas coloridas desaparece extremamente rápido e daí a interação forte pode somente operar sobre distâncias muito curtas. A extensão típica é cerca de 10-13 centímetros.

  • Esta força mantém todas as partículas como prótons e nêutrons juntos e a força colorida residual deixada a mais nestas partículas é responsável por manter o núcleo unido. O núcleo se mantém tão junto que enormes quantidades de energia pode ser liberada no processo. Esta energia pode criar estrelas que podem sustentarem a vida ou produzirem bombas de hidrogênio que podem destruírem a vida.

  • As partículas que tem sido mostradas serem as portadoras da força forte são chamadas glúon. Existe uma forte evidência experimental de que os glúons existam.

  • O símbolo que é mais comumente usado para o glúon é a letra minúscula ordinária g.

Força Fraca

  • Esta força atua nas partículas chamadas Léptons como também nos Bárions e Mésons. Dados experimentais sobre os Léptons implicam que estas partículas não tem tamanho sob qualquer condição, i.é, elas são partículas pontuais.

  • Esta força é responsável pelo decaimento radioativo envolvendo um membro da família de partículas Lépton chamado elétron. Este tipo de decaimento radioativo é chamado decaimento beta e é crucial para como o Sol emite energia.

  • O elétron é a partícula que é responsável pelo fluxo de eletricidade e é responsável por todas as reações químicas. Ele pode também interagir pelas interações eletromagnéticas pois tem uma carga elétrica negativa.

  • A partícula Lépton que exclusivamente interage via Força Fraca é o neutrino, uma das partículas mais obstinadamente não interativa que conhecemos.

  • A extensão da Força Fraca é extremamente pequena, muito menor do que aquela da Força Forte. A distância típica para as Forças Fracas é cerca de 10-16 centímetros.

  • A partícula que tem sido mostrada ser a portadora da força fraca é chamada Intermediário Vetor Bóson. Ele aparece de três tipos: uma versão carregada eletricamente positiva, uma versão carregada eletricamente negativa, e uma versão sem qualquer carga elétrica.

  • Os símbolos que são usados para as partículas W Bóson são W+, W-, e Z0.




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